CC BY
57
УДК 662.762.06
DOI 10.21285/0301-108Х-2016-55-2-88-95
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ФИЛЬТРУЮЩИХ ПЕРЕГОРОДОК
© В.И. Саламатов1, С.Н. Головачёв2, Ю.Н. Горнов3
1-3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
В статье рассмотрены условия, определяющие продолжительность эксплуатации как хлопковых, так и синтетических тканей. При фильтрации минеральных и других суспензий в качестве фильтрующего материала применяют главным образом фильтровальные ткани. В соответствии с задачами фильтрации фильтрующий материал должен обеспечивать: достаточную задерживающую способность по отношению к дисперсной фазе, небольшое гидравлическое сопротивление при фильтрации и длительный срок службы, обусловленный механической прочностью и устойчивостью при работе в агрессивной среде.
Приведены данные исследований по установлению срока службы ряда синтетических тканей (капроновых, лавсановых, капроно-лавсановых) при обезвоживании различных по вещественному составу суспензий в сравнении с хлопковой (фильтродиагональ арт. 2074). Показано, что наибольшей способностью противостоять засорениям (зернистым, мажущим, гелеобразным, органическим, цементирующим) обладают капроновые ткани арт. 56026, 23254. Так, для ткани арт. 56026 значение коэффициента срока службы составили: 8,33 (пульпа I), 8,85 (пульпа II), 11,11 (пульпа III).
На общий срок службы фильтротканей значительное влияние оказывают физико-химические свойства пульпы и особенно химический состав жидкой фазы. При фильтрации метастабильных растворов наблюдается интенсивное образование цементирующих отложений, которые закрепляются на волокнах и закупоривают проходные поры. Существенно влияет на засорение перегородки степень дисперсности, форма частиц и агрегативная устойчивость.
Общий период эксплуатации фильтрующей перегородки во многом определяется типом фильтра, особенностями организации процесса обезвоживания (фильтрация, промывка, подсушка, съем осадка).
Период максимальной производительности фильтра связан с индивидуальным периодом в работе фильтрующей перегородки. В зависимости от конструкции фильтра индукционному периоду может предшествовать период T1, когда под действием вакуума происходят деформация нитей и подсасывание филь-троткани и опорной поверхности (барабанные, дисковые фильтры). Для других фильтров (рамные вакуум-фильтры) этот период может не наблюдаться.
Существенно влияет на срок службы перегородки и продолжительность цикла фильтрации, с увеличением которого срок эксплуатации фильтроткани возрастает.
Таким образом, показано, что на жизненный цикл фильтрующих перегородок оказывает влияние тип фильтра, фильтрующие свойства тканей и свойства суспензии (пульпы).
Ключевые слова: фильтрация, фильтрующая перегородка, цикл фильтрации, срок службы.
Формат цитирования: Саламатов В.И., Головачёв С.Н., Горнов Ю.Н. Жизненный цикл фильтрующих перегородок // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. 2016. № 2 (55). С. 88-95. DOI 10.21285/0301-108Х-2016-55-2-88-95.
LIFE CYCLE OF FILTER MEMBRANES V.I. Salamatov, S.N. Golovachev, Yu.N. Gornov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
1 Саламатов Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов Института авиамашиностроения и транспорта, тел.: (3952) 405672.
Salamatov Viktor, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department of Machine-Building Technologies and Materials of the Institute of Aircraft Building and Transport, tel.: (3952) 405672.
2Головачёв Семён Николаевич, аспирант кафедры машиностроительных технологий и материалов Института авиамашиностроения и транспорта, тел.: (3952) 405672.
Golovachev Semen, Postgraduate of the Department of Machine-Building Technologies and Materials of the Institute of Aircraft Building and Transport, tel.: (3952) 405672.
3Горнов Юрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации машиностроения Института авиамашиностроения и транспорта, тел.: (3952) 410845.
Gornov Yuriy, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department of Design and Standardization of the Institute of Aircraft Building and Transport, tel.: (3952) 410845.
The article deals with the conditions determining the service life of both cotton and synthetic fabrics. Filter fabric is mainly used for filtering mineral and other media. In accordance with the tasks of filtering the filter material is to ensure sufficient retention relative to the dispersed phase, low hydraulic resistance under filtering and long service life due to mechanical strength and durability in the operation in aggressive media.
The paper provides the research data on determining the service life of a number of synthetic fibers (nylon, lavsan, nylon-lavsan) under dewatering of different material composition media as compared to the cotton fabric (filter diagonal of 2074 article). Nylon fabrics of 56026, 23254 articles are shown to have the highest ability to resist clogging and precipitation (grainy, smearing, gel-like, organic, cementing). The fabric of 56026 article shows the following values of the lifetime ratio: 8,33 (pulp I), 8,85 (pulp II), 11,11 (pulp III).
The physicochemical properties of pulp and particularly chemical composition of the liquid phase have significant influence on the general service life of filter fabrics. Filtering of metastable solutions is accompanied with the intensive formation of cementing sediments, which are fixed on the fibers and clog the pores of the fabric. Precipitation and clogging of membranes is substantially dependent on the dispersion degree, particle shape and aggregate stability.
The total operation period of the filter membrane is largely determined by the filter type and the features of dewatering organization (filtering, washing, predrying, sediment removal).
The period of filter maximum performance is associated with the individual period of filter membrane operation. Depending on the filter design, the induction period can be preceded by the period T\, when under the action of vacuum fibers are deformed and filter fabrics as well as a supporting surface (drum, disc filters) are entrained. This period may not be observed in other filters (frame vacuum filters).
Duration of the filtration cycle also has a significant effect on the membrane service life, since its increase elongates the service life of the filter fabric.
Therefore, the life cycle of the filter membranes depends on the filter type, filtering properties of fabrics and media (pulp) properties.
Keywords: filtration, filter membrane, filtration cycle, life cycle
For citation: Salamatov V.I., Golovachev S.N., Gornov Yu.N. Life cycle of filter membranes // Proceedings of Siberian Department of the Section of Earth Sciences, Russian Academy of Natural Sciences. Geology, Prospecting and Exploration of Ore Deposits. 2016. № 2 (55). Pp. 88-95. DOI 10.21285/0301-108X-2016-55-2-88-95.
В технологических схемах переработки разнообразного минерального сырья (обогащение, гидрометаллургия, химическая технология) фильтрации подлежат значительные объемы пульп и других технических суспензий [1]. При этом в зависимости от свойств пульпы (суспензии) применяются самые разнообразные типы фильтров (барабанные, рамные, ленточные, нутч-фильтры, план-фильтры, дисковые, патронные и
др.) [2, 3].
Неотъемлемым элементом всех типов фильтров является фильтрующая перегородка, основным назначением которой является разделение пульпы на осадок (кек) и фильтрат. На фильтрах в качестве опоры для тканевой перегородки предусмотрена перфорированная стальная решетка с определенным порядком расположения отверстий для прохождения фильтрата в сборники.
В качестве фильтрующей перегородки могут применяться [4, 5] различные материалы: тканевые фильтрующие из хлопковых и синтетических волокон,
нетканые фильтрующие (текстильные, керамические, намывные, мембранные и др.)
Выбор конкретного материала зависит от типа пульпы (суспензии), требований, предъявляемых к последующей переработке как осадка, так и фильтрата.
При фильтрации технических пульп (суспензий) наибольшее распространение получили тканевые фильтрующие перегородки (фильтроткани) [6]. Одним из важных требований, предъявляемых к ним, является их высокая задерживающая способность по отношению к дисперсной фазе пульпы при сохранении достаточной проницаемости. В отношении этого большой интерес для промышленности представляют ворсистые фильтроткани, имеющие анизодиа-метрическую форму пор (фильтродиаго-наль, фильтромиткаль). Анизодиаметри-ческая форма пор более целесообразна, чем изодиаметрическая (квадратная).
Роль фильтроткани особенно велика в начальный период фильтрации, когда идет отложение первых слоев
осадка и формирование совместно с фильтрующей перегородкой начального фильтрующего слоя, в последующем принимающего на себя основные свойства фильтроткани.
Срок службы (жизненный цикл) фильтрующей перегородки может быть задан следующим выражением:
т = т +т
1 ср.с 1 осн ' 1 рег, где Госн - основной период в эксплуатации ткани; 7р,ег - период в эксплуатации ткани, связанный с ее регенерацией.
В свою очередь
^осн = Т-1 + Тинд + 72, где 7\ - период работы фильтрующей перегородки, предшествующий индукционному периоду; Гинд - индукционный период, период стабильной, максимальной производительности фильтра; Т2 - период эксплуатации перегородки, в ходе которого наблюдается снижение производительности фильтра. Окончание этого периода соответствует производительности фильтра, ниже которой становится экономически не выгодно производить фильтрацию.
можно написать
Для Трег
= Т1
Тг
+ т!г +
+ TN
рег,
рег рег рег
где 1, 2, ..., N - соответственно первая,
вторая, ..., N-регенерация.
Причем
yl _ yl I yl I yl.
1 рег = 11 + 1 инд + 1 2 ;
y2 _ y2 I y2 I y2.
1 рег = 11 + 1 инд + 1 2 ;
j'N _ yN I T«
1 рег 11 + 1 инд
Рассмотрим, какие факторы определяют продолжительность эксплуатации фильтрующей перегородки.
В начальный период фильтрации 7\ под действием глубокого вакуума перегородка подсасывается к опорной поверхности, при этом происходит деформация нитей. Размеры открытых пор хлопчатобумажных тканей изменяются, снижается проницаемость тканей. Это прежде всего относится к тканям, сотканным из пряжи с малым коэффициентом крутки. Вследствие деформации производительность фильтра понижа-
ется до определенной величины, после чего наблюдается стабильная производительность фильтра, что соответствует началу индукционного периода работы перегородки.
Нити из синтетических фильтро-тканей деформируются незначительно под действием напора в процессе фильтрации, особенно нити, состоящие из моноволокна. На рис. 1 представлена зависимость производительности барабанного вакуум-фильтра БОУ-40 от продолжительности работы фильтродиагонали и лавсановой фильтроткани (арт. 56038) при обезвоживании шламистой золотосодержащей пульпы. Периоду Т\ (график 1) (хлопковая ткань) отвечает временной отрезок, равный 4 суткам, а на графике 2 (синтетическая ткань) период Т\ уже уменьшается до 1,5 суток.
На рис. 2 приведены зависимости толщины кека по верхней, средней и нижней отметкам рамы равного вакуум-фильтра от продолжительности работы фильтродиагонали, полученные в ходе промышленных испытаний фильтрующих перегородок при обезвоживании сульфидных золотосодержащих пульп. Для рамного вакуум-фильтра рабочий каркас рам исключает наличие периода Т\, и практически с самого начала работы фильтра устанавливается период стабильной производительности.
На индукционный период Т2 в работе фильтрующей перегородки оказывает влияние тип фильтра, состав жидкой фазы пульпы, гранулометрическая характеристика дисперсной фазы и прежде всего - способность волокон фильтроткани противостоять засорениям.
Индукционный период фильтро-тканей обусловлен присутствием в них природных защитных примесей (жиры, воски, пектины), которые понижают сорбционную способность ткани и ее смачиваемость. В присутствии примесей на поверхности волокон затрудняется образование цементирующих отложений. В процессе обезвоживания пульп
Рис. 1. Влияние продолжительности работы фильтроткани на производительность барабанного вакуум-фильтра БОУ- 40
Фильтродиагональ: 1 - (хлопковая ткань); 2 - лавсановая ткань
л £
4
(ТЗ IJ
О
ГС X
5
3" ^
о
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
■3 •2
1
10 15 20 25 30
Продолжительность работы ткани, сут.
35
Рис. 2. Влияние продолжительности работы фильтродиагонали на производительность рамного вакуум-фильтра:
1 - толщина осадка по нижней отметке рамы (20 см); 2 - толщина осадка по средней отметке рамы (80 см); 3 - толщина осадка по верхней отметке рамы (140 см)
наблюдается выщелачивание защитных веществ, в связи с чем растет реакционная и сорбционная активность волокон, то есть они становятся гидрофильными.
Снижение защитных свойств волокон фильтровальных тканей при фильтрации пульп, жидкая фаза которых представлена метастабильными растворами,
способствует образованию на них центров кристаллизации с образованием цементирующих отложений (карбонатов и сульфатов кальция, силикатов, ванада-тов, гидроокисей алюминия и железа), располагающихся как на поверхности ткани, так и внутри тонкой структуры волокна. Это явление особенно характерно для хлопковых тканей.
Важными показателями, определяющими эксплуатационные свойства фильтротканей, являются их пористость, тип переплетения, природа и длина волокон, а также толщина, степень крутки нитей, число их на единицу площади.
В таблице приведены значения коэффициента срока службы для синтетических фильтротканей, определенные по результатам лабораторных испытаний фильтрующих свойств при обезвожива-
нии разнообразных по вещественному и гранулометрическому составу пульп.
Для испытанных образцов синтетических тканей срок эксплуатации выше, чем для хлопковой ткани (артикул 2074). Наибольшей способностью противостоять засорениям (зернистым, мажущим, гелеобразным, органическим, цементирующим) обладают капроновые ткани (арт. 56026, 23254). Близкие к стандартной хлопковой фильтроткани значения срока службы получены для лавсановой ткани (арт. 56050): Ксл = 1,53 (пульпа I), Ксл = 1,15 (пульпа II), Ксл = 1,39 (пульпа III).
Для каждого типа фильтра наблюдается определенный по продолжительности цикл фильтрации. Кратковременными циклами (2-5 мин) характеризуются барабанные и дисковые фильтры.
Сравнительная оценка срока службы синтетических фильтротканей и хлопчатобумажной фильтроткани (арт. 2074) (фильтродиагональ)
Ткани, арт. Коэ( )фициент срока службы Ксл
Пульпа I (сульфидная пульпа) Пульпа II (пульпа красных шламов) Пульпа III (пульпа регенерационного криолита)
Лавсановые
56278 4,95 6,95 3,61
56030 3,57 1,80 3,12
56271 9,80 6,06 13,60
56208 5,55 7,08 4,95
56050 1,53 1,15 1,39
Капроновые
56227 - 6,84 2,19
56020 2,00 7,87 1,90
56007 5,55 2,75 4,67
56026 8,33 8,85 11,11
56027 1,66 7,46 1,88
56253 2,04 - 1,88
23254 8,33 7,36 7,04
56035 2,08 5,12 1,93
Капроно-лавсоновые
86036 2,70 2,87 2,55
86035 3,57 3,77 3,12
86017 2,08 1,62 1,92
Фильтродиагональ 1,00 1,00 1,00
В отличие от них рамные вакуум-фильтры характеризуются длительным циклом фильтрации (2-4 ч).
Частота смены циклов фильтрации существенно сказывается на сроке службы фильтрующей перегородки. Испытания хлопковой ткани на барабанных вакуум-фильтрах Б0У-40 и рамных вакуум-фильтрах пульп равной щелочности показали, что срок службы ее составляет 25-30 дней на барабанном и 4-5 месяцев на рамном, после чего производительность фильтра падает на 20-30% от первоначальной. Применение для этих целей капроновой ткани (арт. 56035) увеличивает срок службы до 35-40 дней -для барабанных и до 6 месяцев - для рамных фильтров.
На индукционный период, а следовательно, и на общий срок службы значительное влияние оказывает химический состав жидкой фазы пульпы.
На золотоизвлекательной фабрике в отделении фильтрации при испытании хлопковой ткани и лавсановой (арт. 56050) была изучена кинетика роста сопротивления ткани при обезвоживании кварцево-глинистой цианистой пульпы на рамных вакуум-фильтрах. В ходе испытаний концентрация известковой щелочи (СаО) менялась от 0,03 до 0,01%. Установлено, что при концентрации известковой щелочи до 0,01% продолжительность индукционного периода со-
ставляет 3-4 месяца, с ростом концентрации до 0,02% продолжительность индукционного периода уменьшается до 1,5-2 месяцев, и для концентрации 0,03% - до 20-25 суток.
На рис. 3 предоставлен график, характеризующий кинетику роста гидравлического сопротивления фильтродиаго-нали. Новая ткань в течение 29 суток сохраняет максимальную проницаемость. Вследствие интенсивного образования кальцита на волокнах наблюдается интенсивный рост гидравлического сопротивления ткани.
В процессе эксплуатации фильтрующие перегородки теряют свою проницаемость под воздействием механических и химических факторов. При условии сохранения достаточной прочности фильтровальных тканей целесообразно восстановление проницаемости. Выбор метода восстановления фильтрующих свойств хлопковых или синтетических тканей зависит от условий, в которых проводится процесс обезвоживания технических суспензий.
В промышленности используются различные способы регенерации тканей, позволяющие увеличить их срок службы. В ряде случаев проводят механическую очистку тканей путем промывки водой с добавлением моющих средств и смачивателя ДБ в стиральных машинах. В других случаях применяют
Рис. 3. Кинетика роста гидравлического сопротивления фильтродиагонали (хлопок)
гидромониторный способ с помощью струи воды высокого давления до 100 кгс/см2. В ряде случаев эффективна химическая регенерация фильтровальных тканей обработкой их соляной кислотой.
В ходе промышленных испытаний был опробован метод механической очистки фильтрующих перегородок (фильтродиагональ арт. 2074 и капроновой ткани арт. 56027) при экипировке рам фильтров-осветлителей. В процессе осветления поры перегородки забиваются дисперсными частицами, со временем в них формируются цементирующие отложения. В качестве меры, обеспечивающих восстановление проницаемости тканей, проводилась обработка поверхности фильтрующей перегородки острым паром.
В ходе испытаний было установлено, что фильтрующие перегородки зачастую быстрее теряют свою механическую прочность, чем проницаемость. Анализ работы рам показал, что это является следствием использования способа экипировки рам с применением
нашивных полос. Был рекомендован способ экипировки рам с помощью струбцин, что позволило применить данный способ механической очистки в условиях, когда проницаемость фильтрующей перегородки снижается быстрее, чем ее механическая прочность.
Таким образом, жизненный цикл фильтрующих перегородок определяется рядом факторов:
- фильтрующими свойствами перегородок (проницаемость, задерживающая способность, устойчивость к засорению). Качественные и количественные показатели процесса фильтрации в большей степени зависят от правильного выбора фильтрующего материала;
- типом фильтра и организацией процесса обезвоживания (фильтрация, промывка, подсушка, съем осадка и др.);
- физико-химическими свойствами фильтрующей пульпы, определяющими характер потери проницаемости фильтрующей перегородки и выбор метода ее регенерации.
Библиографический список
1. Авдохин В.М. Основы обогащения полезных ископаемых. М.: Изд-во МГГУ, 2006. Т. 1. 415 с.
2. Фридман С.Э., Щербаков О.К., Комплев А.М. Обезвоживание продуктов обогащения. М.: Недра, 1988. 239 с.
3. Чуянов Г.Г. Обезвоживание пылеулавливание и охрана окружающей среды. М.: Недра, 1987. 259 с.
4. Тюфитин Е.П. Промывка гидрометаллургических пульп. М.: Металлургия, 1970. 223 с.
5. Рафиенко А.Н. Фильтрация рудых пульп на синтетических фильтро-тканях. М.: Недра, 1967. 183 с.
6. Скобеев И.К. Фильтрующие материалы. М.: Недра, 1983. 198 с.
References
1. Avdokhin V.M. Osnovy obogash-cheniya poleznykh iskopaemykh [Basics of minerals processing]. Moscow, MGGU Publ., 2006. V. 1, 415 p.
2. Fridman S.E., Shcherbakov O.K., Komplev A.M. Obezvozhivanie produktov obogashcheniya [Dewatering of mineral concentration products]. Moscow, Nedra Publ., 1988. 239 p.
3. Chuyanov G.G. Obezvozhivanie pyleulavlivanie i okhrana okruzhayushchei sredy [Dewatering, dust removal and environmental protection]. Moscow, Nedra Publ., 1987. 259 p.
4. Tyufitin E.P. Promyvka gidromet-allurgicheskikh pulp [Washing of hydro-metallurgical pulps]. Moscow, Metal-lurgiya Publ., 1970. 223 p.
5. Rafienko A.N. Fil'tratsiya rudykh pulp na sinteticheskikh fil'trotkanyakh [Ore pulp filtering on synthetic filter fabric]. Moscow, Nedra Publ., 1967. 183 p.
6. Skobeev I.K. Fil'truyushchie ma-terialy [Filtering materials]. Moscow, Nedra Publ., 1983. 198 р.
Статья поступила 05.05.2016 г. Article received 05.05.2016.
